DE19601650A1

DE19601650A1 - Anordnung zum Schutz elektrischer und elektronischer Bauelemente vor elektrostatischen Entladungen

Info

Publication number: DE19601650A1
Application number: DE19601650A
Authority: DE
Inventors: Alfred Schuster
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 1997-07-24
Also published as: EP0785708A1; US5818101A; EP0785708B1; DE59700218D1; ES2134032T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz elektrischer und elektronischer Bauelemente vor elektrostatischen Entladungen (ESD: electro static discharge) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere in der Automobilindustrie werden an elektrische und elektronische Baugruppen hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen hohe Anforderungen gestellt. Eine solche Baugruppe soll demgemäß über Schutzeinrichtungen verfügen, die eine meist von außen aufgebrachte elektrostatische Entladung ableiten oder anderweitig unschädlich machen, um empfindliche Bauelemente gegen Zerstörung durch elektrostatische Entladungen zu schützen.

Als wesentlicher und kritischer Zugang für ESD-Pulse in elektrische oder elektronische Baugruppen sind der oder die Baugruppenstecker anzusehen, da auf diesem Wege ESD-Pulse direkt auf die Schaltung geleitet werden. Die Gehäuse der Baugruppen hingegen stellen hinsichtlich des ESD-Schutzes in der Regel kein Problem dar. Sie bestehen häufig aus Kunststoff bzw. Metall, so daß eine per ESD zugeführte, elektrische Ladung nicht auf die Schaltung weiterge leitet bzw. auf unschädliche Art und Weise abgeleitet wird.

Nach dem Stand der Technik werden zum ESD-Schutz hauptsächlich sog. Abblockkondensatoren eingesetzt, die die elektrische Ladung aufnehmen und dadurch die Spannung auf der betreffenden Leitung auf einen unkritischen Wert begrenzen.

Nachteilig ist hierbei, daß pro verwendetem Steckerpin ein Kondensator ausschließlich zum ESD-Schutz vorgesehen werden muß, wodurch Kosten entstehen und Platz auf der Leiterplatte beansprucht wird.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen anzugeben, bei der auf Kondensatoren verzichtet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Anordnung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Diese beschreiben eine Anordnung zum Schutz elektrischer und elektronischer Bauelemente vor elektrostatischen Entladungen, bei der eine die Bauelemente tragende Leiterplatte über eine Isolationsschicht mit einer Metallplatte stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Isolationsschicht wenigstens eine Öffnung aufweist, über die wenigstens eine Leitbahn zur Bildung einer ersten Funkenstrecke zwischen Leitbahn und Metallplatte geführt wird und wobei die Metallplatte mit einem festen Potential verbunden ist.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß außer der Einspa rung von Platz auf der Leiterplatte und Materialkosten für Kondensatoren der ESD-Schutz an einer beliebigen Stelle der Leiterplatte angebracht werden kann. Durch die Verwendung der Luft als leitendes Medium können weiterhin belie big viele Entladungen auftreten, ohne daß z. B. der bei Kunststoffen gefürchtete Effekt der Karbonisierung auftritt, durch den das betreffende Material zumindest hochohmig leitend wird. Zudem fallen durch das Einbringen von Schlitzen in die Isolationsschicht keine zusätzlichen Kosten an.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend ausführlich erläutert und anhand der Figuren dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen ESD-Schutzes

Fig. 2 eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Detailansicht der Ausführungsformen nach Fig. 1, 2 und 4 und

Fig. 4 eine weitere Variante der Ausführungsform nach Fig. 1.

Die Fig. 1, 2 und 4 zeigen in einem meist aus Kunststoff bestehenden Gehäuse 10 eine einseitig bestückte Leiterplatte 1, auf deren Oberseite eine Schaltungsanordnung aus elektrischen und elektronischen Bauelemente 2 mit Anschlüssen 3 und auf deren Unterseite ausschließlich Leitbahnen 19 angeord net sind. Ferner sind Lötstellen 5 zur Verbindung der Anschlüsse 3 mit den Leitbahnen 19 und Durchkontaktierungen 4 vorhanden, mittels denen die Leitbahnen 19 auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte 1 miteinander verbunden sind. Für Steckerpins 6 zur Bildung einer Steckerverbindung sind in die Leiterplatte 1 Löcher 7 eingebracht, so daß die Steckerpins 6 eingesteckt und mittels eines Lotes 8 mechanisch mit der Leiterplatte 1 und elektrisch mit den Leitbahnen 19 verbunden werden können. Rückseitig ist die Leiterplatte 1 mit einer Lötstoplackschicht 12 und einer Isolationsschicht 9 versehen und auf eine vorteilhaft aus Aluminium bestehende Metallplatte 11 gepreßt. Beim Verpreßvorgang unter erhöhter Temperatur verklebt die Metallplatte 11 mit der Leiterplatte 1, wobei die Isolationsschicht 9 gleichzeitig als Klebstoff wirkt. Die Isolationsschicht 9 weist eine geringe Dicke auf, um eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit zwischen Leiterplatte 1 und Metallplatte 11 zu gewähr leisten.

Erfindungsgemäß weisen nun als ESD-Schutz die Isolationsschicht 9 und die Lötstoplackschicht 12 zwischen der Unterseite der Leiterplatte 1 und auflaminierter Metallplatte 11 eine schlitzförmige Öffnung 13 auf.

In der Fig. 1 ist die Metallplatte 11 mittels einer elektrisch leitenden Verbindung 14 mit dem Bezugspotential verbunden; möglich ist auch die Verbindung mit der Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung oder mit einem anderen festen Potential. Es ist wichtig, daß die zu schützende Leitbahn 19 auf der Unterseite der Leiterplatte 1 über dieser Öffnung 13 angeordnet ist.

Der erfindungsgemäßen Anordnung zum Schutz vor ESD-Pulsen liegt die Tatsache zugrunde, daß die Durchschlagsfestigkeit in Luft bei weitem niedriger ist als in festen, isolieren den Stoffen. Bei einer elektrostatischen Entladung auf den Steckerpin 6 erfolgt deshalb ein Überschlag auf einer Funkenstrecke 16 innerhalb der Öffnung 9 von der Leitbahn 19 auf die Metallplatte 11, so daß die Spannung auf dem Steckerpin 6 und der Leitbahn 19 auf beispielsweise 300 V begrenzt wird und so die Bauelemente 2 geschützt werden. Die Durchschlag spannung wird durch den Abstand zwischen Metallplatte 11 und der Leitbahn 19 und damit im wesentlichen durch die Dicke der Isolationsschicht 9 bestimmt.

Es ist zu beachten, daß die schlitzförmigen Öffnungen 13 weder zu schmal noch zu breit ausgelegt sind. Sind sie zu schmal, läuft beim Verpreßvorgang Harz als Bestandteil der Isolationsschicht 9 in die Öffnung 13 und verschließt diese und damit die Funkenstrecke 16 zwischen Metallplatte 11 und Leiter platte 1. Ist die Öffnung 13 zu breit, besteht die Gefahr, daß sich die Leiter platte 1 beim Verpressen über der Öffnung 13 nach unten durchbiegt und ein Kurzschluß zwischen Leitbahn 19 und Metallplatte 11 ausgelöst wird.

Die wegen der Öffnung 13 frei liegenden Leitbahnen 19 sind von oben durch die Leiterplatte 1, von unten durch die Metallplatte 11 und von allen Seiten durch die Isolationsschicht 9 hermetisch eingeschlossen und damit vor Umwelteinflüssen wie Feuchte und Verschmutzung geschützt.

In Fig. 2 ist eine Lösung zum ESD-Schutz dargestellt, wenn bei denkbaren Anwendungsfällen die Metallplatte 11 nicht, wie in Fig. 1 gezeigt, direkt mit einem festen Potential verbunden werden kann. Hierzu ist beispielsweise in das Kunststoffgehäuse 10 ein Metallstift 15 eingespritzt, so daß nach dem Einbau entweder eine elektrisch leitende Verbindung oder wiederum eine Funkenstrecke zwischen dem Metallstift 15 und einer metallenen und auf Bezugspotential liegenden Fläche 17 z. B. der Karosserie eines Fahrzeugs, zustande kommt.

Die Detailansicht der Fig. 3 zeigt, wie die zu schützenden Leitbahnen 19 im Bereich der Öffnung 13 vorzugsweise angeordnet sind. Um Oberflächenüber schläge und Kriechströme zu vermeiden, müssen die Leitbahnen 19 im Bereich der Öffnung 13 einen mindestens viermal größeren Abstand zueinander aufweisen als außerhalb der Öffnung 13.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante der Anordnung nach Fig. 1. Falls in besonderen Anwendungsfällen die Metallplatte 11 nicht direkt mit einem festen Potential, beispielsweise dem Bezugspotential, der Versorgungsspan nung oder einem sonstigen festen Potential, verbunden werden kann, wird der Metallstift 15 mit einem bestimmten Abstand über einer Fläche 17, bei der es sich um einen Teil des Gehäuses 10 oder der Karosserie eines Kraftfahrzeugs handeln kann und die auf einem festen Potential liegt, angeordnet, so daß eine zweite Funkenstrecke 18 entsteht. Diese zweite Funkenstrecke 18 stellt sicher, daß die Metallplatte 11 nicht galvanisch mit einem festen Potential verbunden ist und daß trotzdem elektrostatische Entladungen abgeleitet werden können.

Anwendbar ist die erfindungsgemäße Anordnung zum Schutz vor ESD-Pulsen insbesondere im Bereich der Planartechnologie, bei der eine Leiterplatte ein auflaminiertes Kühlblech aufweist.

Claims

1. Anordnung zum Schutz elektrischer und elektronischer Bauelemente (2) vor elektrostatischen Entladungen, wobei eine die Bauelemente (2) tragende Leiterplatte (1) über eine Isolationsschicht (9) mit einer Metallplatte (11) stoff schlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (9) wenigstens eine Öffnung (13) aufweist und daß über diese Öffnung (13) wenigstens eine Leitbahn (19) zur Bildung einer ersten Funkenstrecke (16) zwischen Leitbahn (19) und Metallplatte (11) geführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall platte (11) direkt durch eine leitende Verbindung (14) mit einem festen Potential verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter platte (1) in einem Kunststoffgehäuse (10) angeordnet ist und die Metallplatte (11) einen in das Kunststoffgehäuse (10) eingespritzten Metallstift (15) kontaktiert.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstift (11) direkt mit einem festen Potential (17) verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Metallstift (11) und dem festen Potential (17) eine zweite Funkenstrecke (18) angeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu schützende Leitbahn (19) eine Zuführung zu einem Steckerpin (6) einer Steckerverbindung darstellt.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagspannung zwischen Leitbahn (19) und Metallplatte (11) durch die Dicke der Isolationsschicht (9) bestimmt wird.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß es sich bei dem festen Potential um das Bezugspotential handelt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß es sich bei dem festen Potential um die Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung handelt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß es sich bei dem festen Potential um ein beliebiges, festes Potential der Schaltungsanordnung handelt.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Leiterplatte (1) und Isolationsschicht (9) eine Lötstoplackschicht (12) angeord net ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbahnen (19) über der Öffnung (13) einen mindestens viermal größeren Abstand zueinander aufweisen.